Стърлинг двигател - принцип на работа. Нискотемпературен двигател Стърлинг (снимка)

Двигателят Стърлинг, чийто принцип на работа е качествено различен от обикновения двигател за всички ICE, веднъж беше последната достойна конкуренция. Те обаче забравили за известно време. Как се използва този мотор днес, какъв е принципът на функционирането му (в статията можете да намерите и чертежи на двигателя на Стърлинг, които ясно демонстрират своята работа) и какви са перспективите за бъдещо използване, прочетете по-долу.

история

През 1816 г. в Шотландия Робърт Стърлинг е патентован термична машина, наречен днес в чест на своя изобретател. Първите двигатели на горещия въздух бяха изобретени още преди това. Стирлинг обаче добавя още по-чисти уред, който в техническата литература се нарича регенератор или топлообменник. Благодарение на това мощността на мотора се е увеличила, когато уредът е бил топъл.

Двигателят е разпознат като най-солидния парни двигател, наличен по това време, тъй като никога не е избухнал. Преди това на други двигатели такъв проблем възниква често. Независимо от бързия си успех в началото на ХХ век, неговото развитие бе изоставено, тъй като стана по-малко икономично в сравнение с тогавашното нововъзникващо двигатели с вътрешно горене и електрически двигатели. Стирлинг обаче продължава да се използва в някои отрасли.

Двигател с външно горене

Принципът на действие на всички термодвигатели е, че са необходими по-големи механични сили за производството на газ в разширено състояние, отколкото при компресиране на студения. За визуална демонстрация на това, можете да проведете експеримент с два саксия, пълни със студена и топла вода, както и с бутилка. Последното се спуска в студена вода, запушва се с корк, след това се прехвърля в гореща. В същото време, газът в бутилката започва да извършва механична работа и изтласква корк. Първият двигател за външно горене се основава изцяло на този процес. Обаче по-късно изобретателят разбра, че част от топлината може да се използва за отопление. По този начин производителността се е увеличила значително. Но дори и това не помогна двигателят да стане често срещан.

По-късно Ериксън, инженер от Швеция, подобри дизайна, като предложи да охлажда и загрява газ при постоянно налягане вместо обем. В резултат на това много копия са използвани за работа в мини, кораби и печатници. Но за екипажите те бяха твърде тежки.

Външни горивни двигатели от Philips

Тези мотори са от следните типове:

• пара;
• парна турбина;
• Стърлинг.

Последният тип не започна да се развива поради ниската надеждност и останалите не са най-високите показатели в сравнение с другите видове агрегати, които са се появили. Въпреки това, през 1938 г., Philips възобновява работата си. Двигателите започнаха да служат за задвижването на генератори в неелектризирани райони. През 1945 г. инженерите на компанията ги откриват в противоположната посока: ако валът е разпръснат с електродвигател, тогава охлаждането на главата на цилиндъра достига минус сто и деветдесет градуса по Целзий. Тогава беше решено да се използва в хладилните агрегати подобрен двигател на Стърлинг.

Принцип на действие

Действието на двигателя е да работи върху термодинамични цикли, при които компресията и разширението се извършват при различни температури. В този случай управлението на дебита на работния флуид се осъществява благодарение на променящия се обем (или налягането - в зависимост от модела). Това е принципът на работа на повечето такива машини, които могат да имат различни функции и конструктивни схеми. Двигателите могат да бъдат бутални или ротационни. Машините с техните инсталации работят като термопомпи, хладилници, генератори на налягане и т.н.

Освен това има двигатели с отворен цикъл, при които управлението на потока се осъществява посредством клапани. Това са тези, които се наричат ​​двигатели на Ериксон, с изключение на името на Стърлинг. В ICE, полезна работа се извършва след предварително компресиране на въздух, инжектиране на гориво, загряване на получената смес, разпръснати с изгаряне и разширяване.

Двигателят на Стърлинг има един и същ принцип на работа: при ниска температура се получава компресия и при висока температура - разширение. Но по различен начин се извършва отопление: от стената на цилиндъра се подава топлина отвън. Поради това се нарича двигател с външно горене. Стърлинг използва периодична температурна промяна с изместване на буталото. Последният движи газ от една цилиндрична кухина в друга. От една страна, температурата е постоянно ниска, а от друга - висока. Когато буталото се движи нагоре, газът се придвижва от горещата към студената кухина и надолу - връща се към горещия. Първо, газът дава много топлина на хладилника, а след това от нагревателя получава толкова, колкото даде. Между нагревателя и хладилника има регенератор - кухина, пълна с материал, на който газът отделя топлина. При обратния поток регенераторът я връща.

Задвижващата система е свързана с работно бутало, което компресира газа в студа и му позволява да се разширява в топлината. Поради компресията при по-ниска температура се извършва полезна работа. Цялата система преминава през четири цикъла с периодични движения. Коляновият механизъм осигурява непрекъснатост. Следователно между етапите на цикъла няма остри граници и ефективността на двигателя Стърлинг не намалява.

Предвид всичко това, заключението показва, че този двигател е бутална машина с външно топлоснабдяване, където работният флуид не напуска затвореното пространство и не се сменя. Чертежите на двигателя на Стърлинг добре илюстрират устройството и принципа на неговата работа.

Работни детайли

Слънцето, електричеството, ядрената енергия или друг източник на топлина могат да доставят енергия на двигателя на Стърлинг. Принципът на работата на тялото му е използването на хелий, водород или въздух. Идеалният цикъл има максимална възможна ефективност, равна на тридесет до четиридесет процента. Но с ефективен регенератор може да работи с по-висока ефективност. Регенерирането, отоплението и охлаждането се осигуряват от вградени топлообменници, които работят без масла. Трябва да се отбележи, че двигателят се нуждае от много малко смазване. Средното налягане в цилиндъра обикновено е от 10 до 20 МРа. Следователно, тя изисква отлична система за запечатване и възможност за влизане на маслото в работните кухини.

Сравнителни характеристики

В повечето от съвременните двигатели от този вид се използва течно гориво. В същото време постоянният натиск е лесен за управление, което спомага за намаляване на емисиите. Отсъствието на клапани осигурява тиха работа. Мощност с маса, сравнима с тази на двигателите с турбо и специфичната мощност, получена на изхода, е равна на показателя на дизеловия агрегат. Скоростта и въртящият момент не зависят един от друг.

Цената на производството на двигателя е много по-висока от тази на ICE. Но при работа се получава обратното.

предимства

Всеки модел двигател на Стърлинг има много предимства:

• Ефективността в съвременния дизайн може да достигне до седемдесет процента.
• Двигателят няма система за запалване с високо напрежение, разпределител и клапани. Няма да е необходимо да се настройва по време на целия срок на експлоатация.
• В Стърлинг няма такава експлозия, както в ICE, която силно натоварва коляновия вал, лагерите и свързващите пръти.
• Те нямат такъв ефект, когато казват, че двигателят е изчезнал.
• Благодарение на простотата на устройството може да се използва дълго време.
• Той може да работи както за дърва за огрев, така и за ядрен и друг вид гориво.
• Изгарянето се извършва извън мотора.

недостатъци

• Основният недостатък на дизайна е неговата консумация на материали.
• Работното тяло трябва да бъде охладено, поради което размерите значително се увеличават.
• За да се постигнат еднакви характеристики с ICE, е необходимо да се използва високо налягане.
• Към работното тяло се подава топлина през стените на топлообменници, в които има ограничена топлопроводимост.
• За да промените мощност на двигателя, променете силата на звука буферния капацитет, средното налягане на работния флуид, фазовия ъгъл между изместващото устройство и буталото.

приложение

Понастоящем двигателят Стърлинг с генератора се използва в много области. Това е универсален източник на електрическа енергия в хладилници, помпи, подводници и слънчеви електроцентрали. Това е благодарение на използването на различни видове гориво, което е възможно да се използва широко.

прераждане

Тези двигатели започнаха да се развиват отново благодарение на Philips. В средата на ХХ век тя сключва договор с General Motors. Тя ръководи развитието на приложението на Стърлинг в космически и подводни устройства, на кораби и автомобили. След тях друга компания от Швеция, Обединеното Стърлинг, започна да ги развива, включително възможната употреба на леки автомобили.

Днес линейният двигател Stirling се използва в инсталации на подводни, космически и слънчеви устройства. Голям интерес към него се дължи на неотложността на въпросите за влошаване на състоянието на околната среда, както и борбата срещу шума. В Канада и САЩ, Германия и Франция, както и в Япония, има активни търсения за развитието и подобряването на използването му.

Бъдещето

Изрично предимство, което има бутало и въртящ се двигател Стърлинг, състоящ се от голям ресурс на работа, използване на различни горива, безшумна работа и ниска токсичност, го правят много обещаващо на фона на двигател с вътрешно горене. Въпреки това, предвид факта, че ICE е подобрена през цялото време, тя не може лесно да бъде изместена. По един или друг начин този двигател понастоящем заема водеща позиция и няма да го предаде в близко бъдеще.